A methodology to produce geographical information for land planning using very-high resolution images

Actualmente, os municípios são obrigados a produzir, no âmbito da elaboração dos instrumentos de gestão territorial, cartografia homologada pela autoridade nacional. O Plano Director Municipal (PDM) tem um período de vigência de 10 anos. Porém, no que diz respeito à cartografia para estes planos, principalmente em municípios onde a pressão urbanística é elevada, esta periodicidade não é compatível com a dinâmica de alteração de uso do solo. Emerge assim, a necessidade de um processo de produção mais eficaz, que permita a obtenção de uma nova cartografia de base e temática mais frequentemente. Em Portugal recorre-se à fotografia aérea como informação de base para a produção de cartografia de grande escala. Por um lado, embora este suporte de informação resulte em mapas bastante rigorosos e detalhados, a sua produção têm custos muito elevados e consomem muito tempo. As imagens de satélite de muito alta-resolução espacial podem constituir uma alternativa, mas sem substituir as fotografias aéreas na produção de cartografia temática, a grande escala. O tema da tese trata assim da satisfação das necessidades municipais em informação geográfica actualizada. Para melhor conhecer o valor e utilidade desta informação, realizou-se um inquérito aos municípios Portugueses. Este passo foi essencial para avaliar a pertinência e a utilidade da introdução de imagens de satélite de muito alta-resolução espacial na cadeia de procedimentos de actualização de alguns temas, quer na cartografia de base quer na cartografia temática. A abordagem proposta para solução do problema identificado baseia-se no uso de imagens de satélite e outros dados digitais em ambiente de Sistemas de Informação Geográfica. A experimentação teve como objectivo a extracção automática de elementos de interesse municipal a partir de imagens de muito alta-resolução espacial (fotografias aéreas ortorectificadas, imagem QuickBird, e imagem IKONOS), bem como de dados altimétricos (dados LiDAR). Avaliaram-se as potencialidades da informação geográfica extraídas das imagens para fins cartográficos e analíticos. Desenvolveram-se quatro casos de estudo que reflectem diferentes usos para os dados geográficos a nível municipal, e que traduzem aplicações com exigências diferentes. No primeiro caso de estudo, propõe-se uma metodologia para actualização periódica de cartografia a grande escala, que faz uso de fotografias aéreas vi ortorectificadas na área da Alta de Lisboa. Esta é uma aplicação quantitativa onde as qualidades posicionais e geométricas dos elementos extraídos são mais exigentes. No segundo caso de estudo, criou-se um sistema de alarme para áreas potencialmente alteradas, com recurso a uma imagem QuickBird e dados LiDAR, no Bairro da Madre de Deus, com objectivo de auxiliar a actualização de cartografia de grande escala. No terceiro caso de estudo avaliou-se o potencial solar de topos de edifícios nas Avenidas Novas, com recurso a dados LiDAR. No quarto caso de estudo, propõe-se uma série de indicadores municipais de monitorização territorial, obtidos pelo processamento de uma imagem IKONOS que cobre toda a área do concelho de Lisboa. Esta é uma aplicação com fins analíticos onde a qualidade temática da extracção é mais relevante.Currently, the Portuguese municipalities are required to produce homologated cartography, under the Territorial Management Instruments framework. The Municipal Master Plan (PDM) has to be revised every 10 years, as well as the topographic and thematic maps that describe the municipal territory. However, this period is inadequate for representing counties where urban pressure is high, and where the changes in the land use are very dynamic. Consequently, emerges the need for a more efficient mapping process, allowing obtaining recent geographic information more often. Several countries, including Portugal, continue to use aerial photography for large-scale mapping. Although this data enables highly accurate maps, its acquisition and visual interpretation are very costly and time consuming. Very-High Resolution (VHR) satellite imagery can be an alternative data source, without replacing the aerial images, for producing large-scale thematic cartography. The focus of the thesis is the demand for updated geographic information in the land planning process. To better understand the value and usefulness of this information, a survey of all Portuguese municipalities was carried out. This step was essential for assessing the relevance and usefulness of the introduction of VHR satellite imagery in the chain of procedures for updating land information. The proposed methodology is based on the use of VHR satellite imagery, and other digital data, in a Geographic Information Systems (GIS) environment. Different algorithms for feature extraction that take into account the variation in texture, color and shape of objects in the image, were tested. The trials aimed for automatic extraction of features of municipal interest, based on aerial and satellite high-resolution (orthophotos, QuickBird and IKONOS imagery) as well as elevation data (altimetric information and LiDAR data). To evaluate the potential of geographic information extracted from VHR images, two areas of application were identified: mapping and analytical purposes. Four case studies that reflect different uses of geographic data at the municipal level, with different accuracy requirements, were considered. The first case study presents a methodology for periodic updating of large-scale maps based on orthophotos, in the area of Alta de Lisboa. This is a situation where the positional and geometric accuracy of the extracted information are more demanding, since technical mapping standards must be complied. In the second case study, an alarm system that indicates the location of potential changes in building areas, using a QuickBird image and LiDAR data, was developed for the area of Bairro da Madre de Deus. The goal of the system is to assist the updating of large scale mapping, providing a layer that can be used by the municipal technicians as the basis for manual editing. In the third case study, the analysis of the most suitable roof-tops for installing solar systems, using LiDAR data, was performed in the area of Avenidas Novas. A set of urban environment indicators obtained from VHR imagery is presented. The concept is demonstrated for the entire city of Lisbon, through IKONOS imagery processing. In this analytical application, the positional quality issue of extraction is less relevant.GEOSAT – Methodologies to extract large scale GEOgraphical information from very high resolution SATellite images (PTDC/GEO/64826/2006), e-GEO – Centro de Estudos de Geografia e Planeamento Regional, da Faculdade de Ciências Sociais e Humanas, no quadro do Grupo de Investigação Modelação Geográfica, Cidades e Ordenamento do Territóri

Adaptive video delivery using semantics

The diffusion of network appliances such as cellular phones, personal digital assistants and hand-held computers has created the need to personalize the way media content is delivered to the end user. Moreover, recent devices, such as digital radio receivers with graphics displays, and new applications, such as intelligent visual surveillance, require novel forms of video analysis for content adaptation and summarization. To cope with these challenges, we propose an automatic method for the extraction of semantics from video, and we present a framework that exploits these semantics in order to provide adaptive video delivery. First, an algorithm that relies on motion information to extract multiple semantic video objects is proposed. The algorithm operates in two stages. In the first stage, a statistical change detector produces the segmentation of moving objects from the background. This process is robust with regard to camera noise and does not need manual tuning along a sequence or for different sequences. In the second stage, feedbacks between an object partition and a region partition are used to track individual objects along the frames. These interactions allow us to cope with multiple, deformable objects, occlusions, splitting, appearance and disappearance of objects, and complex motion. Subsequently, semantics are used to prioritize visual data in order to improve the performance of adaptive video delivery. The idea behind this approach is to organize the content so that a particular network or device does not inhibit the main content message. Specifically, we propose two new video adaptation strategies. The first strategy combines semantic analysis with a traditional frame-based video encoder. Background simplifications resulting from this approach do not penalize overall quality at low bitrates. The second strategy uses metadata to efficiently encode the main content message. The metadata-based representation of object's shape and motion suffices to convey the meaning and action of a scene when the objects are familiar. The impact of different video adaptation strategies is then quantified with subjective experiments. We ask a panel of human observers to rate the quality of adapted video sequences on a normalized scale. From these results, we further derive an objective quality metric, the semantic peak signal-to-noise ratio (SPSNR), that accounts for different image areas and for their relevance to the observer in order to reflect the focus of attention of the human visual system. At last, we determine the adaptation strategy that provides maximum value for the end user by maximizing the SPSNR for given client resources at the time of delivery. By combining semantic video analysis and adaptive delivery, the solution presented in this dissertation permits the distribution of video in complex media environments and supports a large variety of content-based applications